1、毕业论文基于PLC的配电站继电保护系统的设计毕业论文（设计）基于PLC的配电站继电保护系统的设计学生姓名： 学 号： 系 别： 电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 评阅教师： 论文答辩日期 答辩委员会主席 摘 要提高城市供用电系统的自动化程度是电网改造的一项重要内容，而配电站保护控制的技术水平又是其中关键环节，继电保护系统又是其中必要设备。继电保护系统的可靠性、灵敏性、快速性和有选择性是其开发和生产必需要考虑的内容。本文通过对继电保护系统功能设备和主要机构的运行过程分析，确定了基于PLC配电站继电保护控制系统的总体方案，并对PLC系统进行简单的设计。针对国内配电站的特点，系统
2、采用了电流速断保护、重瓦斯保护、差动保护、过负荷保护、轻瓦斯保护和温度保护，具有很高的可靠性。在控制部分，采用可编程控制器技术，根据配电站继电保护的要求对该系统进行简单的硬件设计和软件编程。根据系统运行过程和控制要求，PLC选取三菱的FX1N系列可编程控制器，采用梯形图编程语言，以实现PLC系统的控制要求以及继电保护可靠、灵敏和快速和有选择的要求。关键词：配电站，继电保护，可编程控制器，梯形图ABSTRACTImproving the automation of citys power systems is an important part of power grids improvemen
3、t, and the skill levels of substation protection and control is the important link. It is indispensable of the relay protection that its reliability, sensitivity, rapid and selective must be considered in the development and production.Through the analysis of the relay protections function and the m
4、ain mechanisms process, determine the overall design of the PLC-based substation control system, and design PLC systems simply. In keeping with the characteristics of the domestic substation, the system has high reliability that it uses current quick-breaking protection, heavy gas protection, differ
5、ential protection, overload protection, light gas protection and temperature protection. In the control part, using the programmable controller design the hardware simply and the software base on the requirement of the substation relay protection. According to the requirements of the operation and c
6、ontrol, in order to achieve the requirement of PLC system and the requirement of reliability, sensitivity, rapid and selective, PLC select Mitsubishi FX1N series programmable controller and ladder diagram language. Keywords：Substation, The relay protection, PLC, Ladder diagram1 绪言本章阐述基于PLC的配电站继电保护的设
7、计的研究背景，明确指出国内PLC在电力系统中应用所面临的问题。1.1 课题背景提高城市供用电系统的自动化程度是电网改造的一项重要内容，而配电站保护控制的技术水平又是其中关键环节。目前，在我国绝大多数城网配电站中，广泛应用的继电保护装置仍是由传统的机械触点继电器构成，往往完成一种基本的保护或控制任务都必须由多个继电器共同承担，比如一条10 kV馈线的过流保护和自动重合闸控制就要用到数以十计的各种继电器。由于继电器触点要经常分合动作，容易损坏，降低了供电的可靠性，并增加了设备维护的工作量；同时，各继电器之间大量的连接导线不仅使调试检修困难极大，还致使变电站的各部分几乎不可能被连接成一个完整的自动化
8、系统。因此，传统的机械触点继电器显然已不能满足变电站自动化对继电保护装置的要求。可编程控制器(PLC)是一种新型微电脑式配电控制器。其主要特点是用内部已定义的各种辅助继电器(每个PLC可有多达上千个内部继电器)代替传统的机械触点继电器，又通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接线。正因为这一特点，如果将PLC引入继电保护装置中，一方面可以克服使用传统继电器所带来的种种弊端；另一方面，又可兼容基于传统继电器的设计思想和技术方案，尤其是对于逻辑关系较为复杂的触点信号处理及操作出口控制，采用PLC编程能使方案设计工作变得更加简单方便1。1.2 课题研究的目的和意义21世纪，PLC会有更大的发
9、展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的特点。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。可编程控制器的一般特点为：(1)抗干扰能力极强，可靠性极高。(2)编程方便。(3)使用方便。(4)维护方便。(5)设计、施工、调试周期短。(6)易于实现机电一体化。随着社会经济的发展，工业的迅速兴起，使得一些10KV配电系统大幅度增加，配电系统的简便性、可靠性、安全性、节能性、性价比显得尤其重要。目前，传统的10KV配电系统还是采用继电器系统
10、和分布监测计量、分布控制方式，而采用PLC(可编程序控制器)系统集中控制和集中监测计量方式，有利于提高配电系统的运行管理自动化水平，保证配电的安全稳定，还能减少运行人员的工作强度，提高安全可靠性。总之，采用微型计算机PLC实现继电保护和控制系统的操作，大大提高系统的自动化水平和可靠性，同时更加便于系统的集中控制和监测，方便了系统的信息化管理，大大降低成本，提高了工作的效率，具有一定的推广意义。1.3国内外概况我国传统的继电保护大都采用机电型继电保护采用的是电磁式继电器,由于制造厂商的不同,其性能和参数差别较大;即使是同一型号的器件,其动作值也参差不同,给继电保护的整定和调试带来许多不便。传统的
11、时间继电器延时误差较大,不能使继电保护的上下级之间在时限上很好地配合；并且传统的继电保护装置体积庞大笨重,金属消耗量大,且接线较多,出现故障容易引起继电保护装置误动作；受继电器机械寿命的影响,保护装置的可靠性也较差。更主要的原因是传统的继电保护方式已经不能满足电力系统自动化要求，人们开始将微机应用于电力系统的继电保护之中，但是微机的编程及调试都比较复杂,不易被广大的电气技术人员所接受。PLC(可编程序控制器)是近几十年来发展起来的一种新型工业控制器，由于它编程灵活，功能齐全，应用广泛比继电器系统的控制简单，使用方便，抗干扰力强，性价比高，工作寿命高，而其本身具有体积小，重量轻，耗电省等特点。继
12、电器系统有明显的缺点：体积大，可靠性低，工作寿命短，查找故障困难，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成系统，所以接线复杂，对于生产工艺的变化的适应性差，不便实现集中控制；而PLC的安装和现场接线简便，可以应用其内部的软继电器简化继电器系统的繁杂中间环节，实现软接线逻辑构成系统，方便集中控制，除此之外，PLC还具有自诊断、故障报警、故障报警种类显示及网络通讯功能，便于操作和维修人员检查。1.4 课题的主要研究工作本课题研究的主要的内容是采用可编程控制器PLC来控制继电保护系统各个部分，达到快速、安全、自动切除故障的目的，包括以下几点：(1)以配电站自动控制为前提，应用新型的控制技术，建立基于PLC的配
13、电站自动电气控制系统。(2)进行PLC控制系统的简单的硬件设计。(3)进行PLC控制系统的软件设计及仿真。2 配电站继电保护控制系统设计方案的研究 2.1总系统设计方案的研究2.1.1总系统设计方案的描述某10 kV配电站，地处郊区，按无人值班标准设计。选用的二次保护装置是法国MERLIN GERIN公司的SEPAM数字式多功能继电器，其功能框图如图1所示。从图中可看出，这基本上与微机保护典型图相同，稍有区别的是，该装置将通常的计算机继电器逻辑电路分解成保护功能继电器组和PLC 2个部分。根据不同保护对象(主变压器差动保护、母线保护、电容器保护、线路保护等)，由不同保护功能继电器群组合，使装置
14、分成若干个标准型号，其中所有的单个功能元件均遵循正逻辑法则，在PLC中定义动作节点。例如，一个过电压元件动作，在PLC中就有一个相应的常开节点闭合(01)，而一个失压元件动作，反映在PLC中也是一个相应的常开节点闭合(01)。PLC编程使用的是与传统二次电路图最相似的梯形图法，存放程序的EEPROM为外插接式，便于随时修改设计方案1,11，如图2.1所示。图2.1 SEPAM装置功能框图2.1.2 PLC在集中控制中的地位在配电一次系统中继电器系统主要集中在总受柜和变压器配出柜，应用PLC系统来代替继电器系统，可以减少柜与柜之间的硬连线，省去很多继电器，简化工艺，降低系统制作成本，提高配电系统
15、的可靠性，安全性和节能性。PLC系统框图如图2.2所示。图2.2 PLC系统框图PLC是整个系统的神经中枢，所有控制，保护，工作状态指示都通过PLC内部的虚拟继电器通过软连线配合外部给定开关量和信号来完成。控制电压在安全电压以下，可以提高工作的安全性，远离高压室进行操作，可以避免工作人员的误操作，一站式控制，可以提高工作效率，减少工作人员的劳动强度。用两条现场总线就可以实现整个系统的信号传输，通过PLC的工作状态和报警指示，便于工作和维修人员的故障排除。另外，与继电器相比，PLC的免维护性高，工作寿命长。2.1.3对PLC控制系统的功能要求根据实际情况，电力系统对继电保护系统一般要求四性：可靠
16、性、选择性、灵敏性和速动性。但应用现有的继电保护装置（继电器、接触器等），因为其体积大，可靠性低，工作寿命短，查找故障困难，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成系统，所以接线复杂，对于生产工艺的变化的适应性差，不便实现集中控制，对生产造成一定的影响。因此，继电保护系统应配置一定的集中控制装置。在电力系统中，一定要注意系统能否正确反应于故障。因此，我们需要PLC控制系统具有以下功能：(1)自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。(2)反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件(如有无经常值班人员)而动作于信号，以便值班员
17、及时处理，或由装置自动进行调整，或将那些继续运行就会引起损坏或发展成为事故的电气设备予以切除。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免暂短地运行波动造成不必要的动作和干扰而引起的误动。(3)继电保护装置还可以与电力系统中的其他自动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电力系统运行的可靠性2。2.1.4 PLC继电保护系统的主要配置根据一般供电系统的结构，配电站继电保护系统一般需要配置：速断保护、过电流保护、过负荷保护、超温保护、轻瓦斯保护、重瓦斯保护、单相接地保护、失压保护。2.2 PLC继电保护控制系统实现
18、的原理变配电站继电保护是根据变配电站运行过程中发生故障时出现的电流增加、电压升高或降低、频率降低、出现瓦斯、温度升高等现象超过继电保护的整定值（给定值）或超限值后，在整定时间内，有选择的发出跳闸命令或报警信号。PLC则通过控制这些保护的开关量来控制这些保护有选择性的切除故障。2.3 PLC继电保护控制系统实现方案的分析和比较(1)继电器系统和PLC系统的比较PLC（可编程序控制器）是近几十年来发展起来的一种新型工业控制器，由于它编程灵活，功能齐全，应用广泛比继电器系统的控制简单，使用方便，抗干扰力强，性价比高，工作寿命高，而其本身具有体积小，重量轻，耗电省等特点。继电器系统有明显的缺点：体积大
19、，可靠性低，工作寿命短，查找故障困难，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成系统，所以接线复杂，对于生产工艺的变化的适应性差，不便实现集中控制；而PLC的安装和现场接线简便，可以应用其内部的软继电器简化继电器系统的繁杂中间环节，实现软接线逻辑构成系统，方便集中控制，除此之外，PLC还具有自诊断、故障报警、故障报警种类显示及网络通讯功能，便于操作和维修人员检查。(2)PLC系统和单片机系统的比较可编程控制器PLC是一种产品，在没有下载控制程序之前，它不具备任何控制功能，PLC实际是专为工业环境使用的通用控制平台，它需进行二次开发才能完成最终的控制目的，PLC是建立在单片机之上的产品。单片机是一种芯片，在
20、一定场合，配合外围电路，单片机可以构成各种各样的应用系统，二者的比较如表2.1。表2.1 PLC与单片机的比较项目PLC单片机相同的地方本质是一样的，都是基于微处理器技术。都可以实现对仪器设备的智能化控制。PLC是单片机应用系统的一个特例。优点1.由专业大公司精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。2.编程方法简单易学，即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制系统。3.抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。4.有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。1.价格便宜功能强大。既可以用于价格低廉的民用产品也可用于昂贵复杂的特殊应用系统。2.自带完善的外围接口，
21、可直接连接各种外设，有强大的模拟量和数据处理能力。3.体积小，功耗低可用于电池供电的便携式产品。4.有高级语言支持，编程效率高，可移植性好。缺点价格昂贵，体积大，功能扩展需要较多的模块，不适合大批量重复生产的产品。编程方法复杂，不容易上手。抗干扰能力差。开发周期长。适用的范围适合于工作母机控制和工业过程控制应用范围广泛，既适合大批量重复生产的民用消费品。也可以用于小批量产品。特别是仪器仪表，家电以及小型控制系统。从工程的角度来讲，对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智的、快捷的，成功率高、可靠性好，但成本较高。对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当
22、的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。综上所述，结合自己对二者的掌握情况，我选择采用可编程控制器PLC作为本次设计的控制工具3,4,11。3 继电保护PLC控制系统的设计3.1 PLC控制系统设计的原则和步骤3.1.1 PLC控制系统的设计原则(1)选用的PLC必须满足被控对象的控制要求；(2)选用的PLC不仅要着眼于现在，还要适当地考虑到未来发展的需要；(3)在满足上述两个前提下，力求使该系统具有较好的性能价格比3,4,7。3.1.2 PLC控制系统的设计步骤PLC控制系统的设计步骤如图 3.1。图3.l PLC控制系统的设计步骤作为继电保护系统的指挥中枢，PLC控制系统设计的优劣
23、，决定了整个设备设计的成败。因此，必须遵守设计原则和设计步骤，认真细致的进行PLC的选型和硬件控制线路设计，在硬件设计的基础上，编制出简单清晰的PLC程序。3.2主要机构的运行过程分析以及初步设计由于继电保护在整个过程由PLC集中控制，为完成正确、有效、快速的切除故障，继电保护系统的各部分均需完成各自相对独立的功能，由于各部分相对于故障不同，必须对各机构进行运行过程分析，以使各机构在时间和空间上能够协调工作，保证切除故障过程的顺利进行5,6。3.2.1 电流速断保护分析及设计电流速断保护按被保护设备的短路电流整定，当短路电流超过整定值时，保护装置动作，断路器跳闸，电流速断保护一般没有时限，不能
24、保护线路全长(为避免失去选择性)，即存在保护的死区为克服此缺陷，常采用略带时限的电流速断保护以保护线路全长时限速断的保护范围不仅包括线路全长，而深入到相邻线路的无时限保护的一部分，其动作时限比相邻线路的无时限保护大一个级差PLC控制系统对10KV配电站、变压器设立了过流和速断保护的实时保护功能，它们经过电流变送器、选通模板、A/D模板，由PLC处理后得出实测电流值，然后将比值分别与对应的过流、速断整定值进行比较，并做相应的处理。(1)实测值小于对应的过流整定值，则PLC认为该回路运行正常，不进行任何处理。(2)实侧值大于等于对应的过流整定值、小于速断整定值，则PLC认为该回路过流。若过流连接按
25、钮断开则不作任何处理，否则向对应的分闸回路供电进行分闸，同时输出语音报警“XXX过流运作”。 若在1秒内闸还未分开，则控制电笛起振鸣叫，发出“10KV故障”的语音警报，并点亮控制台“10KV故障”的光视牌。由于速断电流值一定要超过过流电流值的范围，PLC为了判断该回路是过流还是速断，则在回路过流发生时。PLC并不马上发生跳闸，而是要等待0.1秒，以便判断电流是否会升到速断整定值，若此电流在0.1秒内升到速断值，则按速断处理，否则按过流处理。(3)当实侧电流值大于等于对应的速断整定值时，则表示该回路已严重过流或发生短路，立即执行跳闸动作，其处理方法同上。语音报警为“XXX速断动作”。回路电流升至
26、速断整定值到PLC进行跳闸完毕的时间为0.1秒；回路电流升至过流整定值到PLC进行跳闸完毕的时间为0.2秒。3.2.2 过负荷保护分析及设计过负荷保护是电力、水利等系统的一种保护模式，也是配电站重要保护之一。在电路中，当回路电流超过过负荷保护装置预设值时，过负荷保护装置自动断开电流回路，起到保护有效负载的作用。但过负荷保护与过电流保护有区别，过流保护是采集三相或两相电流值，而过负荷保护只需采集任意一相电流值即可；而且过电流保护反应于跳闸，而过负荷保护反应于信号。控制系统将变压器“A相+C相” (即B相)的035A交流电流经变送器转换成420mA DC信号，PLC处理后与变压器过负荷电流整定值比
27、较，若电流值小于过负荷整定值，PLC认为该回路负荷正常；若电流值大于等于整定值，PLC输出“变压器过负荷”的语音警报，同时点亮控制台上的“变压器过负荷”光视牌。该光视牌点亮后，一直要到“A相+C相”的电流小于整定值时才能熄灭。3.2.3 温度保护分析及设计温度保护即变压器、电动机或发电机过负荷或内部短路故障，出现设备本体温度升高，超过整定值发出跳闸命令或超温报警信号。一旦变压器发生超温，温度继电器接点闭合，PLC输出“变压器超温”的语音警报，同时点亮控制台上的“变压器超温”光视牌。该光视牌点亮后，一直要到变压器油温恢复正常才能熄灭。3.2.4 瓦斯保护分析及设计瓦斯保护是变压器内部故障的主要保
28、护元件，对变压器匝间和层间短路、铁芯故障、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。当油浸式变压器的内部发生故障时，由于电弧将使绝缘材料分解并产生大量的气体，从油箱向油枕流动，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同，反应这种气流与油流而动作的保护称为瓦斯保护，也叫气体保护。瓦斯保护的主要元件是气体继电器，它安装在油箱和油枕之间的连接管道上。气体继电器有两个输出触点：一个反应变压器内部的不正常情况或轻微故障，称为“轻瓦斯”；另一个反应变压器的严重故障，称为“重瓦斯”。轻瓦斯动作于信号，使运行人员能够迅速发现故障并及时处理；重瓦斯动作于跳开变压器各侧断路器。瓦斯保护是变压器的
29、主要保护，它可以反映油箱内的一切故障。包括：油箱内的多相短路、绕组匝间短路、绕组与铁芯或与外壳间的短路、铁芯故障、油面下降或漏油、分接开关接触不良或导线焊接不良等。瓦斯保护动作迅速、灵敏可靠而且结构简单。但是它不能反映油箱外部电路(如引出线上)的故障，所以不能作为保护变压器内部故障的唯一保护装置。另外，瓦斯保护也易在一些外界因素(如地震)的干扰下误动作。(1)轻瓦斯保护若发生轻瓦斯保护，PLC输出“变压器轻瓦斯”的语音警报，同时点亮控制台上的“变压器轻瓦斯”光视牌。该光视牌点亮后，一直要到瓦斯消失才能熄灭。(2)重瓦斯保护一旦变压器发生重瓦斯，PLC检查控制台重瓦斯拆除按钮的状态，若处于拆除状
30、态时PLC不作任何动作，否则要进一步检查重瓦斯切换按钮状态以决定下一步动作。若切换按钮闭合则发生跳闸动作，同时发出“变压器重瓦斯动作”的语音警报；若切换按钮断开则点亮控制台上的“变压器重瓦斯”光视牌，而不执行跳闸动作。3.2.5 差动保护分析及设计电流差动保护是继电保护中的一种保护。差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作的，当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则流入变压器的电流和流出电流(折算后的电流)相等，差动继电器不动作。当变压器内部故障时，两侧(或三侧)向故障点提供短路电流，差动保护感受到的二次电流和的正比于故障点电流，差动继电器动作。它具有良好的选择性，能灵敏、快速地切除保护
31、区内的故障，被广泛地应用在能够方便地取得被保护元件两端电流的发电机保护、变压器保护、大型电动机保护中。差动保护是根据“电路中流入节点电流的总和等于零”原理制成的。差动保护把被保护的电气设备看成是一个接点，那么正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，差动电流等于零，PLC认为回路正常，不进行任何处理。当设备出现故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流不相等，差动电流大于零。当差动电流大于差动保护装置的整定值时，PLC输出“变压器差动”的语音警报，点亮控制台上的“变压器差动”光视牌，同时PLC控制保护动作，将被保护设备的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源。该光视牌点亮后，一直要到流入的电流和流
32、出的电流相等才能熄灭。3.3输入/输出点的确立和PLC选型3.3.1 输入元件数量的确定继电保护系统的总合闸按钮和分闸按钮各一个。过流速断连接按钮开关量一个，过负荷连接按钮开关量一个。过流速断保护、过负荷保护警报开关量各一个。因为有两台变压器，重瓦斯按钮、差动保护、轻瓦斯保护、温度保护连接按钮开关量各两个，各保护警报连接开关量各两个。各保护作用于跳闸、信号的开关量10个。信号作用于跳闸开关量一个。因此，整个系统共计33个开关量输入。3.3.2 输出元件数量的确定继电保护系统合闸分闸需要指示灯指示状态，需要两个输出量。电流速断保护、过负荷保护则需要光视牌2个，警笛2个。因为有两台变压器1、2，重瓦斯保护、轻瓦斯保护、过温保护、差动保护的启动都需要指示，所以则需要光视牌8个。同时，这些保护启动，都需要语音警报，则需要警笛8个。PLC发出信号输出开关量一个。信号作用于跳闸输出开关量一个，直接作用于
